DNA origami kunne hjælpe med at bygge hurtigere, billigere computerchips

Elektronikproducenter jager konstant efter måder at gøre hurtigere, billigere computerchips, ofte ved at reducere produktionsomkostningerne eller ved at formindske komponentstørrelser. Nu, forskere rapporterer, at DNA, livets genetiske materiale, kan hjælpe med at opnå dette mål, når det formes til bestemte former gennem en proces, der minder om den gamle kunst at folde papir.

Forskerne præsenterer deres arbejde i dag ved det 251. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS). ACS, verdens største videnskabelige samfund, holder mødet her til og med torsdag.

"Vi vil gerne bruge DNA's meget lille størrelse, baseparringsevner og evne til selv at samle, og dirigere det til at lave strukturer i nanoskala, der kunne bruges til elektronik, "Adam T. Woolley, Ph.D., siger. Han forklarer, at de mindste funktioner på chips i øjeblikket produceret af elektronikproducenter er 14 nanometer brede. Det er mere end 10 gange større end diameteren af ​​enkeltstrenget DNA, hvilket betyder, at dette genetiske materiale kan danne grundlag for mindre chips.

"Problemet, imidlertid, er, at DNA ikke leder elektricitet særlig godt, " siger han. "Så vi bruger DNA'et som et stillads og samler derefter andre materialer på DNA'et for at danne elektronik."

At designe computerchips, der i funktion ligner dem, Silicon Valley udskiller, Woolley, i samarbejde med Robert C. Davis, Ph.D., og John N. Harb, Ph.D., på Brigham Young University, bygger videre på andre gruppers tidligere arbejde med DNA-origami og DNA-nanofabrikation.

Den mest kendte form for DNA er en dobbelt helix, som består af to enkeltstrenge af DNA. Komplementære baser på hvert strengpar op for at forbinde de to strenge, meget som trin på en snoet stige. Men for at skabe en DNA-origami-struktur, forskere begynder med en lang enkelt DNA-streng. Tråden er fleksibel og floppy, lidt som en snørebånd. Forskere blander det derefter med mange andre korte DNA-strenge - kendt som "hæfteklammer" - der bruger baseparring til at trække sammen og tværbinde flere, specifikke segmenter af den lange streng for at danne en ønsket form.

Imidlertid, Woolleys team er ikke tilfredse med blot at replikere de flade former, der typisk bruges i traditionelle todimensionelle kredsløb. "Med to dimensioner, du er begrænset i tætheden af ​​komponenter, du kan placere på en chip, " Woolley forklarer. "Hvis du kan få adgang til den tredje dimension, du kan pakke mange flere komponenter ind."

Kenneth Lee, en bachelor, der arbejder med Woolley, har bygget en 3-D, rørformet DNA-origami-struktur, der stikker op som en skorsten fra underlag, såsom silicium, som vil danne det nederste lag af deres chip. Lee har eksperimenteret med at fastgøre yderligere korte DNA-strenge for at fastgøre andre komponenter såsom guldpartikler i nanostørrelse på specifikke steder på indersiden af ​​røret. Forskernes ultimative mål er at placere sådanne rør, og andre DNA origami strukturer, på bestemte steder på underlaget. Holdet ville også forbinde strukturernes guld-nanopartikler med halvleder-nanotråde for at danne et kredsløb. I det væsentlige, DNA-strukturerne tjener som dragere, hvorpå man kan bygge et integreret kredsløb.

Lee tester i øjeblikket egenskaberne af det rørformede DNA. Han planlægger at fastgøre yderligere komponenter inde i røret, med det endelige formål at danne en halvleder.

Woolley bemærker, at en konventionel chipfremstillingsfacilitet koster mere end 1 milliard dollars, dels fordi det nødvendige udstyr for at opnå de minimale dimensioner af chipkomponenter er dyrt, og fordi flertrinsfremstillingsprocessen kræver hundredvis af instrumenter. I modsætning, en facilitet, der udnytter DNA's evner til selvsamling, vil sandsynligvis medføre meget lavere opstartsfinansiering, oplyser han. "Naturen arbejder i stor skala, og den er rigtig god til at samle tingene pålideligt og effektivt, " siger han. "Hvis det kunne bruges til at lave kredsløb til computere, der er potentiale for store omkostningsbesparelser."